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문제 정의
- 본 논문은 강원도 지역의 00 터널과 전라남도 지역의 XX 터널 막장붕락에 대한 보강사례이다. 00 터널은 터널 천단 원지반내 편마암 변질대에 의해 터널굴진중 막장붕락이 발생하여, 원지반내 공동의 크기를 추정하기 위해 현장 육안 확인조사와 TSP 탐사 결과를 토대로 시멘트 밀크 그라우팅과 경량 기포 그라우팅 공법을 갱내에서 시공하여 붕락부에 대한 지반보강을 실시하였으며, 또한 향 후 굴진시의 안정성 확보를 위해 대구경 강관다단 그라우팅 공법을 시공하였다.
- 본 연구는 터널 설계단계에서 미쳐 발견하지 못한 변질대 및 파쇄대 등의 원인에 의해 시공 시 막장이 붕락된 터널 보강사례이다. 두 개의 터널막장 붕괴에 대한 보강사례로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었으며, 본 사례는 향후 이와 유사한 터널붕락 시 유용한 참고자료가 될 것이다.
- 본 터널은 지표함몰이 관찰되지 않았을 뿐 아니라 현장 지형상 상부 진입이 어려워 터널내부에서 보강하는 방안을 수립하였다. 붕락부에 대한 지반보강방안은 붕락구간 주변이 이완되어 일부 공동이 예상되므로 붕락구간 내부 원지반의 이완을 방지하고, 공동부분을 충진할 수 있는 공법을 적용 하였다.
제안 방법
- 본 논문은 강원도 지역의 00 터널과 전라남도 지역의 XX 터널 막장붕락에 대한 보강사례이다. 00 터널은 터널 천단 원지반내 편마암 변질대에 의해 터널굴진중 막장붕락이 발생하여, 원지반내 공동의 크기를 추정하기 위해 현장 육안 확인조사와 TSP 탐사 결과를 토대로 시멘트 밀크 그라우팅과 경량 기포 그라우팅 공법을 갱내에서 시공하여 붕락부에 대한 지반보강을 실시하였으며, 또한 향 후 굴진시의 안정성 확보를 위해 대구경 강관다단 그라우팅 공법을 시공하였다.
- 강원도 00터널과 동일하게 보강공법 적용 후 향 후 굴진시 터널 안정성 확인을 위해 3차원 터널 해석을 실시하였다. 해석에 사용된 전산 프로그램은 PENTAGON 3D를 사용하였으며, 지반보강과 갱내보강을 모델링 하여 3차원 수치해석을 수행하였다.
- 붕락부 지반보강은 채움 그라우팅의 효율적인 시공을 위해 총 3차에 걸쳐 시멘트 밀크(1차)와 경량기포 그라우팅 공법(2차, 3차)을 적용하였으며, 대상 붕락 구간을 충분히 보강할 수 있도록 주입관과 토출관을 별도로 설치하였다. 굴진 예정구간에 대한 대구경 강관 다단 그라우팅 공법은 총 5막장, L=12.0m를 적용하였다.
- 보강공법 적용 후 굴진에 따른 터널 안정성을 확인하기 위해 3차원 터널 해석을 실시하였다. 해석에 사용된 전산 프로그램은 MIDAS GTS(Ver.
- 막장붕괴와 동시 에 상부지표면이 함몰되 었다. 보강방안으로 먼저 지표함몰구간에 대해 되메움 다짐을 실시한 후 갱내에서 함몰구간을 향해 시멘트밀크 그라우팅을 시공하였으며, 굴진 예정 구간에 대해서는 강관다 단그라우팅 공법을 적용하였다.
- 5mm의 강관을 설치한 후 강관 속에 패커를 삽입하여 주입재를 다단으로주입함으로서 주변 지반의 강도 증가효과와 보강재에 의한 Beam Arch 효과를 동시에 얻을 수 있는 강관 다단 그라우팅 공법을 적용하였다. 본 터널 붕락구간은 현재 상반굴착 및 상반 지보재의 설치가 완료된 상태로 추가적인 굴착단면적의 변경이 불가능하므로 기 적용된 터널형상 및 지보패턴을 최대한 활용하여 굴착단면의 변경 없이 IV-TYPE을 VI-TYPE으로 변경하고, 격자지보를 강지보(H-100x100x6x8) 지보패턴 변경하는 방안을 수립하였다.(표 3.
- 붕괴된 막장 전방 지반조사를 위해 압성토가 실시된 갱내에서 상향 10°로 경사 시추조사를 30m 실시하였으며, 또한 전반적인 지반 상태를 파악하기 위하여 TSP 탐사를 실시하였다. 시추조사 결과 막장 전방 약 24m까지 파쇄가 심한 연암 및 풍화암으로 구성되었어 있었으며, TSP 탐사결과에서도 유사하게 나타났다.
- 붕락면 상부 지표면 함몰이 관찰되었다. 붕락규모와 형태를 확인하기 위하여 경사시추조사 및 TSP 탐사가 실시되었으며, 시멘트 밀크 주입에 의한 지반보강과 대구경강관다단 그라우팅에 의한 터널 굴진 보강방안을 수립하여 적용하였다.
- 대구경강관다단 그라우팅을 적용 하였다. 붕락부 지반보강은 채움 그라우팅의 효율적인 시공을 위해 총 3차에 걸쳐 시멘트 밀크(1차)와 경량기포 그라우팅 공법(2차, 3차)을 적용하였으며, 대상 붕락 구간을 충분히 보강할 수 있도록 주입관과 토출관을 별도로 설치하였다. 굴진 예정구간에 대한 대구경 강관 다단 그라우팅 공법은 총 5막장, L=12.
- 방안을 수립하였다. 붕락부에 대한 지반보강방안은 붕락구간 주변이 이완되어 일부 공동이 예상되므로 붕락구간 내부 원지반의 이완을 방지하고, 공동부분을 충진할 수 있는 공법을 적용 하였다.
- 터널내부 지반상태는 붕락에 의해 측벽부 및 상반부에 이완대가 잔존하는 상태로서 이완영역내로우기시 침투수가 유입될 경우 수분함유에 의한 열화현상, 수압증가 등으로 전단강도가 저하되어 2차 붕락을 초래할 우려가 있으므로 붕락부에 대한 보강대책은 붕락부 다짐 후 갱내 보강 그라우팅 및 강관 다단 그라우팅을 적용 하였다. 지표 함몰부에 대한 지반보강공법은 시공성 및 경제성을 고려하여 시멘트 밀크 그라우팅 공법을 적용하였으며, 지표함볼부 되메우기 구간과 추정 붕락영역을 고려하여 이완 영역까지 충분한 보강이 될 수 있도록 적용하였다. 향 후 굴진예정 구간의 보강공법으로는 터널 굴착 전에 주변 지반을 천공하고 외경 60.
- 터널내 보강방안으로는 공동부분 채움용 경량기포제를 함유한 시멘트 밀크 그라우팅과 향 후 굴진 보강용 대구경강관다단 그라우팅을 적용 하였다. 붕락부 지반보강은 채움 그라우팅의 효율적인 시공을 위해 총 3차에 걸쳐 시멘트 밀크(1차)와 경량기포 그라우팅 공법(2차, 3차)을 적용하였으며, 대상 붕락 구간을 충분히 보강할 수 있도록 주입관과 토출관을 별도로 설치하였다.
- 5m깊이로 함몰되어 있다. 터널내부 지반상태는 붕락에 의해 측벽부 및 상반부에 이완대가 잔존하는 상태로서 이완영역내로우기시 침투수가 유입될 경우 수분함유에 의한 열화현상, 수압증가 등으로 전단강도가 저하되어 2차 붕락을 초래할 우려가 있으므로 붕락부에 대한 보강대책은 붕락부 다짐 후 갱내 보강 그라우팅 및 강관 다단 그라우팅을 적용 하였다. 지표 함몰부에 대한 지반보강공법은 시공성 및 경제성을 고려하여 시멘트 밀크 그라우팅 공법을 적용하였으며, 지표함볼부 되메우기 구간과 추정 붕락영역을 고려하여 이완 영역까지 충분한 보강이 될 수 있도록 적용하였다.
- 발생하지 않았다. 터널상부 원지반에 상당한 공동 및 이완대가 예상되므로 보강공법으로는 갱내에서 붕락부 하부로부터 상부로 총 3차에 이르는 경량기포재를 혼합한 시멘트밀크그라우팅을 적용하였으며, 굴진예정구간에 대해서는 대구경 강관 다단그라우팅을 적용하였다.
- 지표 함몰부에 대한 지반보강공법은 시공성 및 경제성을 고려하여 시멘트 밀크 그라우팅 공법을 적용하였으며, 지표함볼부 되메우기 구간과 추정 붕락영역을 고려하여 이완 영역까지 충분한 보강이 될 수 있도록 적용하였다. 향 후 굴진예정 구간의 보강공법으로는 터널 굴착 전에 주변 지반을 천공하고 외경 60.5mm의 강관을 설치한 후 강관 속에 패커를 삽입하여 주입재를 다단으로주입함으로서 주변 지반의 강도 증가효과와 보강재에 의한 Beam Arch 효과를 동시에 얻을 수 있는 강관 다단 그라우팅 공법을 적용하였다. 본 터널 붕락구간은 현재 상반굴착 및 상반 지보재의 설치가 완료된 상태로 추가적인 굴착단면적의 변경이 불가능하므로 기 적용된 터널형상 및 지보패턴을 최대한 활용하여 굴착단면의 변경 없이 IV-TYPE을 VI-TYPE으로 변경하고, 격자지보를 강지보(H-100x100x6x8) 지보패턴 변경하는 방안을 수립하였다.
대상 데이터
- 본 터널 노선은 곡성군과 구례군계를 이루는 갓대봉에서 천왕봉, 요강 바위산에 이르는 산능에서 동쪽으로 분리된 크고 작은 능선들을 해발 150m 지점을 자르며 남남동으로 계획되어 있다. 본 터널 일원의 지질은 우리나라 최고기의 지층인 선캠브리아기의 변성암류인 세립질 흑운모 편마암, 호상편마암, 혼성 질 편마암, 반상변정 화강암질 편마암, 화강암질 편마암 등으로 구성된 편마암류와 이를 관입한 쥬라기의 흑운모 화강암, 이들을 부정합으로 피복하고 있는 충적층으로 구성된다.
- 분리된 크고 작은 능선들을 해발 150m 지점을 자르며 남남동으로 계획되어 있다. 본 터널 일원의 지질은 우리나라 최고기의 지층인 선캠브리아기의 변성암류인 세립질 흑운모 편마암, 호상편마암, 혼성 질 편마암, 반상변정 화강암질 편마암, 화강암질 편마암 등으로 구성된 편마암류와 이를 관입한 쥬라기의 흑운모 화강암, 이들을 부정합으로 피복하고 있는 충적층으로 구성된다.
- 남북방향의 산계를 형성하며 발달하여있다. 지질특성은 한반도 지체구조상 선캠브리아기의 경기 편마암 복합체와 이를 쥬라기에 관입한 대보화강암으로 구성되며, 제 4기의 충적층이 이들을 부정 합으로 피복하였다. 선캠브리아기의 경기 편마암 복합체는 시점부에서부터 전역에 분포하며, 쥬라기 대보 화강암이 관입하였다.
데이터처리
- 해석에 사용된 전산 프로그램은 MIDAS GTS(Ver.l.52)이며, 지반보강과 갱내보강을 각각 모델링하여 3차원 수치해석을 수행하였다 수치해석 결과 최대천단변위 4.32mm, 최대내공변위 5.39mm, 숏크리트 최대 휨응력 551tonf/m! 허용기준 : 840 tonf/m'), 락볼트 최대 축력 8.04ton/EA(허용기준 : 8.
- 실시하였다. 해석에 사용된 전산 프로그램은 PENTAGON 3D를 사용하였으며, 지반보강과 갱내보강을 모델링 하여 3차원 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과 최대 천단변위 5.
성능/효과
- 1) 강원도 지역의 00터널은 저토피 구간을 통과한 직후 편마암 변질대(토피고 약 25m)구간 터널굴진 중막장천단에서 소규모 붕괴가 시작되어 막장후방으로 전이되는 천단붕락이 발생하였으며, 상부 지표함몰은 발생하지 않았다. 터널상부 원지반에 상당한 공동 및 이완대가 예상되므로 보강공법으로는 갱내에서 붕락부 하부로부터 상부로 총 3차에 이르는 경량기포재를 혼합한 시멘트밀크그라우팅을 적용하였으며, 굴진예정구간에 대해서는 대구경 강관 다단그라우팅을 적용하였다.
- 2) 전라남도 지역의 XX 터널은 설계당시의 단층구간을 통과한 직후 파쇄대 저토피(토피고 약 12m) 구간에서 막장붕괴와 동시 에 상부지표면이 함몰되 었다. 보강방안으로 먼저 지표함몰구간에 대해 되메움 다짐을 실시한 후 갱내에서 함몰구간을 향해 시멘트밀크 그라우팅을 시공하였으며, 굴진 예정 구간에 대해서는 강관다 단그라우팅 공법을 적용하였다.
- 3) 상기 두 현장 모두 설계당시 우려되었던 저토피구간 및 단층구간을 통과한 직후 막장붕락이 발생한 사례로서, 터널에 있어서 위험구간 전후에서는 정상적인 지반아칭이 이루어지지 않으므로 굴진 중인 터널 안정성은 위험구간 뿐 아니라 위험구간을 통과한 직후에도 시공 시 세심한 주의가 요망된다고 할 것이다.
- 4) 또한 상기사례와 같이 지표보강 없이 갱내에서 붕괴구간에 대한 확실한 품질시공을 실시하는 경우, 대부분 산악터널 현장에서 겪는 상부비탈면으로의 장비진입성 문제 등을 해결할 수 있어 공기나 공사비 측면에서 유리할 것으로 판단된다.
- 발생된 것으로 판단된다. 또한 현장조사 결과 지하수의 유출량이 많고, 붕락면 암반블록 사이에 2~3cm의 점토가 충진된 것으로 보아 노출되지 않은 불연속면 사이에 충진되어 있던 점토층이 지하수에 의해 유출되면서 암반블록사이의 응집력이 약해진 상태에서 붕락이 발생된 것으로 추정된다.
- 막장면 관찰결과 지층이 구간에 따라 심하게 변화하고 있음이 확인되었으며, 선진수평보링시 다량의 지하수 유출을 보였다.
- 본 터널은 당초 실시된 전기비저항 탐사 결과 하부 저비저항대가 터널상부까지 발달해 있어 하반에키블럭 역할을 하던 기반암이 굴착에 의해 제거 되면서 터널 상부의 편마암 변질대에서 갑작스런 붕락이 발생된 것으로 판단된다. 또한 현장조사 결과 지하수의 유출량이 많고, 붕락면 암반블록 사이에 2~3cm의 점토가 충진된 것으로 보아 노출되지 않은 불연속면 사이에 충진되어 있던 점토층이 지하수에 의해 유출되면서 암반블록사이의 응집력이 약해진 상태에서 붕락이 발생된 것으로 추정된다.
- 붕락구간의 원지반내 위치와 규모를 예측하기 위해 TSP 탐사를 실시하였으며, 탐사결과 붕락구간 및 붕락 우려 구간은 현재 붕락이 발생한 위치와 거의 유사하며 붕락구간과 붕락우려구간을 포함한 연장은 약 15.0m, 높이 약 14.0m로 조사되었다.
- 해석에 사용된 전산 프로그램은 PENTAGON 3D를 사용하였으며, 지반보강과 갱내보강을 모델링 하여 3차원 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과 최대 천단변위 5.70mm, 최대 내공변위 1.30mm, 숏크리트 최대 휨응력347tonf/nf (허용기준 : 840 tonf/m!), 락볼트 최대 축력 4.31ton#EA(허용기준 : 8.60 tonWEA)로 나타나 터널의 안정성을 확보할 수 있는 것으로 검토되었다.
- 또한 전반적인 지반 상태를 파악하기 위하여 TSP 탐사를 실시하였다. 시추조사 결과 막장 전방 약 24m까지 파쇄가 심한 연암 및 풍화암으로 구성되었어 있었으며, TSP 탐사결과에서도 유사하게 나타났다.
- 터널 붕락구간이 발생된 구간은 실시설계시 전기비저항 탐사결과 암반등급은 II등급으로 조사되었으나, 터널 굴진시 암반의 상태는 풍화암~연암정도의 수준을 보였다. 또한 막장면 관찰결과 붕락은 노출되지 않은 불연속면에 의해 발생한 것으로 판단되며, 상부 지표 조사시 함몰부는 관찰되지 않았다.
- 32mm, 최대내공변위 5.39mm, 숏크리트 최대 휨응력 551tonf/m! 허용기준 : 840 tonf/m'), 락볼트 최대 축력 8.04ton/EA(허용기준 : 8.60 ton/EA)로 나타나 터널의 안정성을 확보할 수 있는 것으로 검토되었다.
후속연구
- 붕락된 터널 보강사례이다. 두 개의 터널막장 붕괴에 대한 보강사례로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었으며, 본 사례는 향후 이와 유사한 터널붕락 시 유용한 참고자료가 될 것이다.
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